Elitzur-Vaidman bomba testi

Fizikte kuantum mekaniğinde Elitzur–Vaidman bomba testi problemi ilk olarak Avshalom Elitzur ve Lev Veidman tarafından 1993'te önerilen bir teorik deneydir. Gerçek bir deney Anton Zeilinger, Paul Kwiat, Harald Weinfurter, and Thomas Herzog From the University of Innsbruck, Austria and Mark A. Kasevich of Stanford University in 1994. tarafından yapılmış ve sonucu gösterilmiştir. ölçümün yapılıp yapılamadığının gösterilmesi için Mach-Zehnder interferometresi kullanılmıştır.

Problem
Bazıları sahte olan bir bomba koleksiyonu olduğunu düşünelim. Bu bombaların şu özellikleri olduğunu varsayalım. gerçek bombalara bir foton tetiklemesiyle çalışıyorlar ve foton bombaya girdikten sonra yutuluyor ve bomba patlıyor. Sahte bombaların foton sensörleri sorunlu ve foton bomba ile etkileşime girmeden geçip gidiyor. Yani, sahte bir bomba fotonun geldiğini algılamadığı için patlamıyor. Problem şu ki, kesinlikle sahte olmayan birkaç bomba bu koleksiyonun içinden nasıl ayırt edilebilir. Bir bomba ayıklayıcı yapılıp bunlar testten geçirilirse, foton içine girdiği anda bomba patlayacağından test etmek bütün sahte olmayan bombaların patlamasına neden olacaktır.

Çözüm
Bir çözüm gerçeklik-dışı bir gözlem yöntemi kullanan, kuantum mekaniğine dayalı bir ayıklayıcı kullanmaktır.

Her defasında tek bir foton gönderen bir Mach-Zehnder interferometresi ile işe başlanabilir. Bir foton yayımlandığından ve bu yarı-varaklı aynaya ulaştığında, fotonun aynadan geçme ve yansıma şansları eşittir. Bir yolun üzerine fotonun çarpacağı bir bomba konulur (B). Eğer bomba sahte değilse, foton yutulur ve bomba patlar. Eğer bomba sahteyse, foton bombanın içinden etkilenmeden geçer.

Eğer fotonun durumu kuantum belirsiliğe tahvil edilirse, bir etkileşim sırasında foton aynada yansır veya içinden geçer. Bu durumda foton kuantum süperposizyon durumuna geçer ki bu durumda tüm olasılıklar birbirleriyle etkileşim halindedir. Süperpozisyon durumu bir 'gözlemci' (dedektör) ile etkileşim içine girilinceye kadar devam eder. Gözlemci dalga fonksiyonunu çökertir ve foton kuantum belirsizlik durumundan çıkar.

Adım Adım Açıklama
Foton yayımlandıktan sonra 'olasılık dalgası' hem birinci yarı-varaklı aynadan geçecektir (alttaki yolu takip edecektir) hem de yansıyacaktır (yukarı giden yolu takik edecektir).

Eğer bomba sahteyse:
Bomba fotonu yutmayacak ve dolayısıyla foton dalgası alt yolu izlemeye devam edecek (üst yola doğru gitmekte olan kendi dalgasıyla etkleşeceği) ile ikinci yarı-varaklı aynaya ulaşacaktır.
Bu durumda sistem içinde bomba bulunmayan basit Mach–Zehnder cihazı gibi davranacaktır, bu durumda etkileşim yatay olarak yolunda devam eder (D) dedektörüne ulaşır ancak bir patlama durumunda yukarı doğru bir engelleme gözlenir ve (C) dedektörü foton algılar.
Bu yüzden, (D) dedektörü foton algılayacak, (C) dedektörü ise algılamayacaktır.

Eğer bomba gerçekse
Foton gözlemciyi (bombayı) gördüğü anda dalga fonksiyonu çöker ve fot ya üst ya da alt yolda olmak zorunda kalır, ikisinde birden bulunamaz.
Foton yatay yolda tespit edilirse
Bomba gerçek olduğu için, foton yutulur ve bomba patlar.
foton dikey yolda tespit edilirse
Bu durumda bomba ile karşılaşmayacaktır, ikinci yar- varaklı aynada engellenmeyecektir.
Üst yoldak giden foton bu durumda hem aynadan geçer(i) hem de yansıtılır (ii).
Dedektör C v D'de gözlemcilerle karşılaşan fotonun dalga fonksiyonu yine çöker ve C ya da D dedektöründen sadece birinde tespit edilir,

Sonuç olarak C dedektöründe foton algılanırsa, B dedektörünün fonksiyoneldir (bombanın gerçektir).

Bu işlemle, çalışan bombaların %25'i patlatılmadan ayıklanabilir, geri kalan %50'si patlayacak, %25'i de belirsiz olarak kalacaktır. Geri kalan 'belirsiz' bombalara da bu süreç uygulanılmaya devam edilirse başlangıçtaki sağlam bombaların %33'ü patlatılmadan ayıklanabilir. Deneyler kısmında deney değiştirilerek gerçek bombaların %100'e yakınının tespit edileceği açıklanmıştır.

Çoklu Dünyalar Yaklaşımı
Bu fenomeni açıklamanın bir yöntemi Everett'in önerdiği çoklu dünyalar yorumudur. Bu yorumda kuantum fiziğine göre birkaç farklı sonuç doğurabilecek tüm olayların oluşabilecek tüm sonuçları birden gerçekleşir, karar verme anında evren bölünüp her bir bölüm farklı bir yoldan ilerleyerek hepsini oluşturur. Bu paralel evrenler bölünmeye neden olan (kuantum pozisyonunda olarak bölünmeye sebep olan) parçacık hariç birbirinden tamamen bağımsızdır ve her birinde (bölünmeye neden olan parçacık hariç) her şeyin birer kopyası bulunmaktadır.

Çoklu dünyalar yorumuna göre, Elitzur–Vaidman bomba deneyinde fotonların süperpozisyon durumu aynı fotonun farklı paralel evrenlerdeki kopyalarının birbiriyle etkileşimi fotonun farklı durumları olarak yorumlanır. Bundan dolayı, bir foton yarı geçirgen aynayla karşılaştığında, iki evren oluşur. Bir tanesinde foton aynadan geçer ve diğer evrende aynadan yansır. Bu iki evren aynada evrenleri birbirinden ayıran foton dışında tamamen birbirinden bağımsızdır.
Bir evrende aynadan geçen foton hala diğer evrende aynadan yansıyan kendi kopyasıyla etkileşime girerek, deneydeki sonucun doğmasına neden olmaktadır.

Deneyler
1994 yılında, Anton Zeilinger, Paul Kwiat, Harald Weinfurter ve Thomas Herzog eşlenik bir deney gerçekleştirerek, etkileşimsiz ölçümlerin gerçekte mümkün olduklarını göstermişlerdir.

Bu deney felsefi açıdan şu "gekçeklikötesi" soruya cevap aradığı için önemlidir: "Bobma sensörünün içine bir foton girerse ne olur?" Cevap "bomba gerçektir, foton tespit edildiğinden bomba patlar" ya da "bomba sahtedir, foton bomba tarafından soruğurlmaadn geçip gider." Bilinen gerçeklikte gerçek bombaların hepsi patlamış olurlar. Ancak bu deneyle kuantum boyutta bu soruya tüm çalışan bombaları patlatmadan cevap verebiliyoruz. Bu deney deneysel bir düzenek yardımıyla bunun gibi sorulara "gerçeklikötesi" cevaplar verilebileceğini göstermektedir.

Kaynakça
Konuyla ilgili yayınlar
Elitzur A. C. and Vaidman L. (1993). Quantum mechanical interaction-free measurements. Found. Phys. 23, 987-97. arxiv:hep-th/9305002
Penrose, R. (2004). The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of Physics. Jonathan Cape, London.
Watanabe H. and Inoue S. (2000). Experimental demonstration of two dimensional interaction free measurement. APPC 2000: Proceedings of the 8th Asia-Pacific Physics, pp 148–150.